古城墙坍塌原因分析及保护措施

1 概述

城墙是古代战争中进行防御的基础建筑设施，是古代城市的重要构成要素，是民众与统治阶层共同参与创造的产物，也是人类文明发展进程中的典型标志物。目前保存较为完整的城墙有西安城墙、平遥城墙、襄阳城墙、荆州城墙、兴城城墙、开封城墙等。

中国在1980年开始对于古城墙的全面保护，2000年后，多地政府开始有计划地大规模维修古代城墙，作为城市文化标识和旅游资源。国内现存的城墙及城墙遗址绝大部分都有建设年代跨度大的特点，多数分布在人类聚落的边沿地带起军事防御作用，且多数为较松散的土、砖石结构，随着自然条件的变化和人类活动的影响，其内部的变形和本身的强度都未确切可知。城墙在进行修缮工程后并非能够一劳永逸［1］。

本文列举我国古城墙结构类型、构筑材料及其病害特征，对某古城墙经修缮后又坍塌的原因进行深入分析，并对我国文物保护的法律法规和古城墙周边环境的古今差异进行探索研究，提出古城墙保护措施的建议，旨在为今后古城墙保护提供参考。

2 古城墙的结构类型及其病害

2.1 古城墙的结构类型

鉴于古城墙修建筑造的成本以及当时统治阶层经济发展的限制，适用的建造材料一般选择能够就地采集和加工的简单材料。按照建造材料古城墙结构类型可分为以下三类：

1）土城墙：土筑城墙包括夯土墙、堆土墙、减地成墙（挖筑法）、土坯土块版筑泥墙等。在土城墙类别中不仅包括原无包砖夯土城墙，也包括曾有外部包砌构造，但现状外部包砌材料已消失多年的夯土城墙。

2）砌体城墙：全部为砖、石砌筑垒筑的城墙。主要材料包括块石、条石、片石、砂岩等。

3）复合结构：由多种材料混合构筑的城墙，其中外墙包砌砖、石，内为夯土或混凝土墙芯的城墙占大多数。城墙外墙包砌材料有：条石、块石、毛石、卵石、青砖、草垡、泥垡、圆木及土渣混合材料等。一般的砌筑方法有灰浆砌筑和干砌、干垒等。墙芯做法及材料包括：土夯筑、土砖石混合夯筑、水冲夯筑混合、布椽夯筑、土、石、砂填充等。如西安、开封等地的城墙都是常见的外包砖石城墙［2］。

2.2 古城墙的病害

城墙病害是指被干旱、冻融、酥碱等过程以及风沙、暴雨、地震、生物及人为等因素中单个或多个因素共同影响下形成的表现结果。古城墙主要病害表现可分为表面损伤、变形、裂缝、倒塌等。我国部分古城墙病害统计见表1，部分古城墙坍塌概况见表2，坍塌现场见图1～4。

表1 城墙病害统计

表2 城墙坍塌案例

图1 湖北襄阳城墙

图2 陕西西安秦王府城墙

图3 山西平遥城墙

3 古城墙坍塌案例分析

本案例为某市旧城改造时发掘的古城墙遗址，城墙为明清时期城墙，早年地上建筑已基本损毁殆尽，地下建筑部分保存尚好，后期在古城墙遗址上建造民宅。根据地方文物保护单位要求对该古城墙遗址采取原址修缮保护措施。

2017年5月，城墙修缮保护工程竣工；2019年6—7月当地连日降雨，7月10日凌晨修缮后的城墙北端一侧墙体发生坍塌，坍塌段长度约20 m，见图4。

图4 浙江某城墙

3.1 保护设计概况

修缮城墙断面为梯形，墙高约5 m；城墙顶宽5.2～6.5 m，城墙底宽7.2～8.6 m；城内墙面坡度约1∶0.16，城外墙面坡度约1∶0.27；城墙断面见图5。城墙基础采用原址基础，墙体两侧于地面向下挖掘沟槽，再于槽内堆筑基础墙体，地基剖面见图6。城墙墙体采用复合结构形式，内为夯土，外为包边石；包边石采用砂岩，包边石尺寸为：（30～40）cm×（40～100）cm×40 cm；内填土采用熟土、卵石、沙砾等混合堆筑，分层夯实。墙顶地面自上而下采用100 mm厚卵石面层、50 mm厚灰泥、防渗复合土工膜、200 mm厚三合土夯实、500 mm厚3∶7灰土夯实、内填土夯实。墙顶设有组织排水，设暗落水口和球墨铸铁落水管。

图5 城墙断面

图6 地质剖面

3.2 设计资料分析

采用有限元计算软件Midas GTS建立城墙夯土2D模型，对夯土自身稳定性进行分析。土体采用摩尔-库伦本构模型，属性为平面应变单元。

经计算，城墙夯土计算稳定安全系数为1.40，计算结果见图7，根据《建筑边坡工程技术规范（GB 50330—2013）》［4］的要求，一般工况下二级永久边坡稳定安全系数不小于1.30。由此可知，在不考虑外界对夯土体不利因素的情况下，该城墙夯土自身稳定性可满足规范要求。

图7 城墙夯土稳定性分析最危险滑面位置

然而，当夯土体含水量增加、土体泡水软化，其力学性能迅速降低，将导致夯土体稳定安全系数大幅降低。

3.3 施工质量分析

从城墙坍塌后的开挖面和施工资料来看，城墙内填土主要由黄色、褐色、黄褐色的黏性土，以及碎石、卵石等组成；土质差异较大，无统一的材料配方；夯土与包边石结合处不够紧密。城墙施工区域，包边石中丁石用量不满足设计要求；砌筑包边石采用的灰浆搅拌不均匀；包边石厚度过薄。城墙在施工过程中发现的部分问题未整改到位。

3.4 周边环境影响分析

周边工程建设对城墙的影响主要有以下4点：施工机械及车辆荷载直接作用于墙脚附近；基坑开挖引起的土体卸载；西侧墙底标高抬高引起超载；施工振动影响。

采用有限元计算软件Midas GTS建立城墙和基坑的3D模型，对机械及车辆荷载、基坑开挖、标高变化对城墙的影响进行分析。土体采用摩尔-库伦本构模型，属性为3D实体单元，网格尺寸为0.5～2 m，模型示意见图8。

分别计算①机械及车辆荷载、②基坑开挖、③标高变化、④三者共同作用，共4种工况下，东、西侧墙顶产生的位移，结果见表3，模型变形特征见图8。

由表3和图8可知，不同工况下东、西侧墙顶朝西向（处州府城方向）的水平位移基本一致；西侧墙顶竖向位移（沉降）明显大于东侧墙顶；出现位移后，西侧包边石坡度变陡，城墙整体稳定性降低，同时导致西侧包边石与夯土之间脱离，城墙顶地面开裂。相比基坑开挖和标高变化，机械及车辆荷载对城墙变形影响最大，且周期最长（贯穿项目工期）。此外，机械及车辆荷载等施工活动引起的振动，会导致②3砂质粉土层部分颗粒间的结合被破坏，产生微小液化，可进一步增大城墙不均匀变形、墙体开裂。

表3 不同工况下城墙包边石顶部变形统计

图8 工况④模型变形特征示意

3.5 降雨影响分析

根 据2019年6月11日—7月10日的当地气象资料显示，该地区已累计降雨20 d，累计降雨量达530.5 mm，为同期之最；其中5 d日降雨量大于50 mm。

城墙顶地面存在积水现象，局部区域满布青苔和杂草，表明存在雨水渗入夯土体的情况，且夯土体长期富水。

根据《建筑边坡工程技术规范（GB 50330—2013）》［3］估算，雨水渗入前，包边石仅承受夯土传来的土压力，约30 kN/m；当雨水渗入夯土体后，不仅夯土泡水软化，包边石所受土压力增大，而且包边石还承受静水压力约80 kN/m。

3.6 坍塌原因综合分析

综上所述，城墙坍塌主要原因分析如下：

1）本工程性质确定为修缮工程，城墙在一般工况下尚可自稳，但保护方案对最不利工况下的城墙作用效应考虑不足。

2）城墙施工质量存在包边石尺寸不足等问题，对城墙稳定性安全储备有一定影响。

3）周边工程建设影响，特别是在城墙保护范围内的施工机械、车辆荷载及其振动影响，加剧了城墙不均匀沉降和墙顶地面开裂。

4）城墙坍塌前一个月连日降雨，累计降雨量达同期之最；雨水沿墙顶地面裂缝渗入夯土体，夯土泡水软化，稳定性降低；包边石承受的土压力和静水压力迅速增大，包边石弯曲受拉，墙体外鼓，最终导致城墙坍塌。坍塌过程示意见图9。

图9 城墙坍塌过程示意

4 保护措施的应用建议

4.1 文物保护的法律法规

我国文物保护的主要法律法规有《中华人民共和国文物保护法》《中华人民共和国文物保护法实施条例》《中国文物古迹保护准则》和《各地方文物保护管理条例》。

其中《中国文物古迹保护准则》提出文物古迹的保护原则是不改变原状、真实性、完整性、最低限度干预、保护文化传统、使用恰当的保护技术和防灾减灾共七大原则。

保护措施是通过技术手段对文物古迹及环境进行保护、加固和修复，包括保养维护与监测、加固、修缮、保护性设施建设、迁移以及环境整治，保护措施应由具有相应资质的专业机构进行设计和施工。选择文物保护工程方案，应当首先考虑最为适宜和安全的技术方案，避免片面强调经济指标的做法［4-5］。

4.2 环境影响的古今差异

随着近代全球人口爆发式增长，人类活动在加速改变古城墙周边环境，从影响因素来看，古今主要差异可概括为以下三个方面：

1）工程建设规模。为人类提供居住、活动场所的工程建设日益频繁，建设规模不断扩大。城市化进程加速推进，古城墙用作防御工事的区域，逐渐演变为城市闹市区，甚至成为城市中心。因此工程建设活动对古城墙影响大大增加，如基坑开挖卸荷对场地周边环境影响，地下水位升降对场地变形影响，工程机械设备引起的场地微振动等影响。

2）交通微振动。随着交通运输业（铁路、公路、水路和民航）的快速发展，特别是大力发展汽车工业和轨道交通以来，城市交通微振动对建（构）筑物的影响不可小觑。道路（轨道）交通振动属于微幅振动，虽然短时间产生的能量较小，但长期作用下，会导致邻近的建（构）筑物产生动力反应，出现地基不均匀沉降，结构构件开裂、松动、强度降低等疲劳损伤累积，甚至疲劳破坏。

3）极端气候。随着人类活动污染日渐严重，全球气候变暖，厄尔尼诺现象频发，进入20世纪70年代后，全球出现的异常天气，有范围广、灾情重、时间长等特点。局部地区长期强降雨，极易导致雨水渗入墙体，降低古城墙自稳性能。

在上述单个或多个影响因素作用下，古城墙的保护环境受到了严重威胁或侵害，也必将增大城墙基础不均匀沉降、墙体开裂、雨水渗透的机率；特别是内有夯土的复合结构城墙，极易泡水软化，墙体自稳定性弱化迅速，较易导致城墙坍塌。

4.3 保护措施的应用建议

中国古城墙保护研究中，关于保护措施大多集中在加强宣传教育、健全管理机构、完善法律制度；制定保护规划，进行城墙内外的综合治理。而对于具体的维修方法和技术论述相对较少。

根据我国法律法规及环境影响的古今差异和古城墙坍塌案例分析，笔者对古城墙保护措施的应用建议如下：

1）加强古建设计院中岩土工程相关专业人员配置，加强岩土工程概念设计。

2）传统古城墙设计方案更加注重不改变原状、真实性和完整性等古建保护原则，而有所忽略古城墙周边环境变化的不利影响。建议在设计方案阶段应遵守建设工程的相关规范、标准；严禁违反规范、标准中的强制性条款，牺牲古城墙安全性。

3）从技术修缮、监测预警和防灾减灾等方面入手，结合物联网、大数据和云计算等先进技术，逐步建立古城墙预防性保护体系。

5 结语

从古城墙的功能要求，修筑工艺演变，阐述了我国古城墙结构类型、构筑材料及其病害特征；列举了我国4处古城墙坍塌的典型案例，并以其中某古城墙坍塌为例，从设计、施工、周边环境影响和降雨影响4个方面对坍塌原因进行分析，得出了古城墙修缮保护方案和施工存在缺陷，并在周边工程建设影响和强降雨影响下夯土泡水软化，致使城墙坍塌的结论。

文中对我国文物保护的法律法规和古城墙周边环境的古今差异进行了探索研究，提出了古城墙保护措施的应用建议，即在古城墙保护方案设计时加强岩土工程概念设计，严格遵守建设工程相关规范的强制性条文和适时建立古城墙预防性保护体系。